EP3517601A1 - Method and assembly for producing microalgae - Google Patents
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- EP3517601A1 EP3517601A1 EP18153844.8A EP18153844A EP3517601A1 EP 3517601 A1 EP3517601 A1 EP 3517601A1 EP 18153844 A EP18153844 A EP 18153844A EP 3517601 A1 EP3517601 A1 EP 3517601A1
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Definitions
- the invention relates to a process and a plant for the production of microalgae in a tubular thin-film photobioreactor with active temperature control and circulation of a microalgae cultivation solution in phototrophic and mixotropher cultivation manner, according to the preambles of claims 1 and 12.
- Microalgae are valuable food and feedstuffs that will make a major contribution to the future supply of the growing world population. Microalgae grow in the water. Their production requires much less space than the production of comparable agricultural products.
- a proven method is the cultivation of microalgae in the closed system of tubular thin-film vessels as photobioreactors according to EP 1 040 182 B1 , It allows the production of various microalgae species in high purity with good and stable productivity of daily 0.2 to 0.7 g microalgae biomass per liter of culture solution.
- This method is suitable for locations in temperate climates. It is not well suited to zones with high temperature spikes during the year and throughout the day as microalgae have optimal growth and living temperatures, depending on the species. Some of the nutritionally important species also die in a culture solution at temperatures above 38 ° C.
- the arrangement of the photobioreactors in a greenhouse is a condition for practical implementation.
- the main advantage is the use of transparent or translucent tubing as tubular thin-film vessels for photobioreactors, preferably of flexible silicone rubber double-chamber tubing, for the cultivation of phototrophic macro- and microorganisms.
- These hoses can be arranged with little technical effort to a photobioreactor module that they can be adjusted according to the geographical location of the site, the given climatic conditions such as sun gear and temperature.
- a temperature control of the actual thin-film vessel for photosynthesis can be achieved.
- Significant disadvantages of the use of double-chamber tubes consist in the technical connection of the chambers to the supply and discharge of the tempering medium and the culture medium without unwanted mixing of the two media takes place.
- Polymers are also sensitive to the amount of ultraviolet radiation in sunlight and age more easily than, for example, glass. Glass is also cheaper than many of the proposed polymers for photobioreactors. Glass has been proven in practice for decades as a technical solution for photobioreactors for the production of microalgae ( www.algomed.de ), leaching and aging have not been observed.
- a disadvantage of glass photobioreactors, however, is that the glass tubes can not be arbitrarily brought into low-cost geometric shapes for photobioreactors.
- the object of the invention is therefore to overcome the above-described disadvantages of the known methods and systems and to present a method and a system which are suitable for industrial biological, in particular for photochemical application.
- the invention consists in a process for the preparation of microalgae in a tubular thin-film photobioreactor, which consists of glass tubes arranged in parallel, wherein the microalgae are recycled from a mixing and starting container and thereby cultivated in a culture solution, wherein the cultivation of the microalgae in the tubular thin-film photobioreactor with active temperature control and circulation by an internal cooling of the culture solution in phototrophic or mixotropher driving.
- active temperature control in the glass tubes to a flexible hose is laid, which floats in the culture solution and through which a temperature control medium is pumped.
- the culture temperature is maintained above the minimum growth temperature and below the maximum growth temperature of the respectively cultured microalgae type by the tempering medium.
- the temperature control medium in the flexible hose is periodically replaced by air. The air pulses lead to the periodic increase of the flexible tube and thereby advantageously prevent fouling, because the deposition of a biofilm is prevented.
- the flexible tube and the spiral tempering can be traversed by the same temperature control.
- the total volume of the temperature control medium flowing through the flexible hose and the spiral-shaped temperature control element is between 1% and 20%, preferably 5% of the culture solution volume.
- a different temperature control medium can also be passed through the flexible hose in the circulation of the culture solution than through the spiral temperature control element.
- the flexible tube and / or the spiral tempering element are provided on their outer surfaces wholly or partially with a protection against the deposition of a biofilm.
- the inventive solution of the active temperature control microalgae can be cultivated on an industrial scale cost in the future, even under climatic conditions under which it has not been economically possible.
- microalgae of the species Chlorella vulgaris are cultured by the method according to the invention.
- the tubular Dün fürphotobioreaktor consists in the photoactive part tubes of leaching resistant borosilicate glass with an outer diameter of 60 mm and an inner diameter of 54 mm.
- the glass tubes are U-shaped, each leg is 50 m long. 22 of these U-shaped glass tubes are arranged one above the other at a distance of 20 cm in a frame. The inflow of the microalgae cultivating solution into and out of the 22 glass tubes takes place in each case through a comb-shaped collecting line.
- In all glass tubes is a flexible hose made food-safe polyethylene with an outer diameter of 20 mm and an inner diameter of 16 mm for the recording of a tempering arranged movably.
- the flexible tube in the glass tubes is individually fed into the comb-shaped manifolds and led out at the top or bottom of the manifolds of the culture solution using classical installation technology through the cap so that finally each 22 tubes outside the culture solution leave the frame with the 22 glass tubes and be merged into a single supply system for the temperature control medium.
- the tempering medium is preferably water, which is brought to the required flow temperature in a conventional, external cooling or heating device.
- a valve system is arranged, which allows to feed controlled air pulses in the temperature control medium.
- a unit of the tubular thin-film photobioreactor consisting of 12 racks, each with 22 of the U-shaped glass tube systems as described above, with the chambered inflow and outflow systems, the manifolds, the supply system for the temperature control medium and a collection container in the circulation of the culture solution is placed in a greenhouse ,
- the culture solution is circulated through the thin-film photobioreactor.
- the collecting container is a spiral tempering unit made of stainless steel tube with 60 mm outer diameter and with a wall thickness of 2 mm, consisting of 30 turns each with a diameter of 2 m.
- the spiral-shaped temperature control unit can optionally be flowed through by the same temperature control medium as the flexible hose in the glass tubes.
- the cultivation of chlorella microalgae was performed by the method according to the invention.
- the outside temperature was 12 ° C and the temperature in the greenhouse 15 ° C.
- the entire system for active temperature control was switched on, the flow temperature of the temperature control medium was 32 ° C.
- the culture solution had reached a temperature of 26 ° C. This temperature was maintained by automatic control of the tempering medium. Every 45 minutes was for each 5 minutes air instead of the temperature medium passed through the flexible hoses.
- the microalgal density was 3.0 g / L.
- the growth rate was 0.9 g / ld. Such high growth rates are not yet described for such microalgae cultures at these seasons. Harvesting ended this cultivation.
- the temperature in the greenhouse was 16 ° C.
- the temperature in the greenhouse rose to a maximum of 22 ° C.
- the biomass concentration was 1.4 g / l.
- the growth rate was 0.33 g / Id.
- Example 2 The same thin film photobioreactor system described in Example 1 was operated at the same site in the midsummer with the same stock culture of Chlorella microalgae and a starting concentration of 0.2 g / l in accordance with the invention.
- the starting temperature of the culture solution was 27 ° C, the outside temperature at noon 36 ° C, in the greenhouse 42 ° C.
- the temperature of the culture solution was limited to 32 ° C and held for 3 days. Every 45 minutes, air was passed through the flexible tubing for 5 minutes instead of the temperature control medium.
- the microalgal density was 3.2 g / l.
- the growth rate was 1 g / id. Microscopic examination of the culture solution revealed 99.6% intact chlorella cells. Harvesting ended this cultivation.
- the starting temperature of the culture solution was 26 ° C. During the three-day cultivation, the temperature of the culture solution reached up to 43 ° C. The color of the culture solution had changed from green to brown-yellow. Microscopic examination of the culture solution revealed less than 4% intact chlorella cells. The biomass was discarded.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von Mikroalgen in einem tubulären Dünnschichtphotobioreaktor mit aktiver Temperaturführung und Kreislaufführung einer Mikroalgen-Kultivationslösung in phototropher und mixotropher Kultivationsweise, wobei als Dünnschichtphotobioreaktor parallel angeordnetee Glasröhren eingesetzt werden, in denen ein flexibler Schlauch verlegt ist, der frei in der Mikroalgen-Kultivationslösung schwimmt und durch den ein Temperiermedium gepumpt wird, welches periodisch durch Luft ersetzt wird und die Kultivationslösung durch einen Kreislaufbehälter geführt wird, in dem ein spiralförmiges Temperierelement angeordnet ist.The invention relates to a method and a plant for the production of microalgae in a tubular thin-film photobioreactor with active temperature control and recycling of a microalgae cultivating solution in phototrophic and mixotrophic Cultivationsweise, being used as a thin-film photobioreactor arranged in parallel glass tubes in which a flexible tube is laid, the free floats in the microalgae cultivation solution and through which a temperature control medium is pumped, which is periodically replaced by air and the culture solution is passed through a circulation container in which a spiral tempering is arranged.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von Mikroalgen in einem tubulären Dünnschichtphotobioreaktor mit aktiver Temperaturführung und Kreislaufführung einer Mikroalgen-Kultivationslösung in phototropher und mixotropher Kultivationsweise, nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 12.The invention relates to a process and a plant for the production of microalgae in a tubular thin-film photobioreactor with active temperature control and circulation of a microalgae cultivation solution in phototrophic and mixotropher cultivation manner, according to the preambles of claims 1 and 12.
Mikroalgen sind wertvolle Nahrungs- und Futtermittel, die zukünftig einen großen Beitrag zur Versorgung der wachsenden Erdbevölkerung leisten werden. Mikroalgen wachsen im Wasser. Ihre Herstellung benötigt wesentlich weniger Fläche als die Herstellung vergleichbarer landwirtschaftlicher Produkte.Microalgae are valuable food and feedstuffs that will make a major contribution to the future supply of the growing world population. Microalgae grow in the water. Their production requires much less space than the production of comparable agricultural products.
Zur industriellen Produktion von Mikroalgen sind bereits mehrere Verfahren bekannt und angewendet.For industrial production of microalgae several methods are already known and applied.
So sind Verfahren zur Herstellung von Mikroalgen in natürlichen und künstlichen Teichen und Becken bekannt (
Eine Verbesserung der Produktqualität ist allerdings erreichbar, wenn die offenen Becken in einem Gewächshaus betrieben werden (
Verfahren zur Herstellung von Mikroalgen in geschlossenen Systemen sind seit einigen Jahrzehnten bekannt (u.a.
Ein bewährtes Verfahren ist die Kultivation von Mikroalgen im geschlossenen System von röhrenförmigen Dünnschichtgefäßen als Photobioreaktoren gemäß
Einen Fortschritt dazu stellt der in der Anmeldung
Die in dieser Anmeldung ebenfalls beanspruchte Verwendung von einem Innenschlauch, der durch Stege im äußeren Schlauch geführt wird, hat ebenfalls erhebliche Nachteile, weil durch diese Maßnahme ein Strömungswiderstand eintritt und die Ablagerung der Mikroalgen und das damit verbundene "Fouling" begünstigt wird. Fouling verursacht erhebliche Kosten. Diese Kosten entstehen zunächst durch verschlechterten Licht- und Wärmedurchgang. Weiterhin sind aber auch die ökologischen Kosten auf Grund des notwendigen Einsatzes von Bioziden zur Verhinderung des Biofouling oder des erhöhten Energieeinsatzes zur Kompensation der durch Fouling verursachten Minderleistung zu sehen.An advance on this is in the application
The claimed in this application also of an inner tube which is guided by webs in the outer tube, also has significant disadvantages, because by this measure a flow resistance occurs and the deposition of microalgae and the associated "fouling" is favored. Fouling causes considerable costs. These costs are initially caused by deteriorated light and heat transfer. Furthermore, the environmental costs due to the necessary use of biocides to prevent biofouling or the increased use of energy to compensate for the reduced performance caused by fouling are to be seen.
Bekannt ist auch ein Verfahren, in dem zunächst ein Inokulat in einem geschlossenem Photobioreaktor angezüchtet wird und anschließend in einem Fermenter ohne Belichtung unter Zusatz von Glucose Wachstum bis zu einer hohen Mikroalgenkonzentration erreicht wird (
Ähnlich beschreibt
Als Photobioreaktoren werden nicht nur tubuläre Dünnschichtreaktoren vorgeschlagen, sondern auch Plattenreaktoren (
Nachteile der Verwendung von Verfahren mit Fermentern sind die hohen Investitionskosten, die kosten für das Lebensmittel Glucose und die Ermüdung der Stammkulturen mit zunehmender Zahl der Kultivationszyklen. Es muss nach einigen Zyklen stets eine frische, in externen Photobioreaktoren gezüchtete Stammkultur zur Inokulation verwendet werden, weil sonst die für Mikroalgen typischen Wirkstoffe, wie z.B. Chlorophyll, nicht mehr in ausreichender Menge gebildet werden können.Disadvantages of using methods with fermenters are the high investment costs, the cost of the food glucose and the fatigue of the stock cultures with increasing number of cultivation cycles. After a few cycles, a fresh stock culture grown in external photobioreactors must always be used for inoculation, otherwise the active substances typical of microalgae, such as e.g. Chlorophyll, can no longer be formed in sufficient quantities.
Die Nachteile der meisten bekannten Verfahren bestehen auch darin, dass sie offenbar nur für die Herstellung kleiner Mengen in kleinen Anlagen (Labor- bzw. Pilotanlagen) geeignet sind. Maßnahmen, die für die Herstellung von Mikroalgen im großtechnischen Maßstab, also für die industrielle Produktion geeignet scheinen, werden im Stand der Technik nicht oder unzureichend beschrieben. Insbesondere werden die erforderlichen Investitionskosten und der erforderliche Energieaufwand nicht so beschrieben, dass auch hohe Mikroalgenmengen bei hoher Qualität unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit erreicht werden können.The disadvantages of most known methods are also that they are apparently only suitable for the production of small quantities in small plants (laboratory or pilot plants). Measures which seem to be suitable for the production of microalgae on an industrial scale, ie for industrial production, are not described or insufficiently described in the prior art. In particular, the required Investment costs and the required energy expenditure not described in such a way that also high quantities of microalgae can be achieved with high quality considering the economic efficiency.
Weitere Nachteile einiger beschriebener Verfahren zur Herstellung von Mikroalgen sind die vorgeschlagenen Materialien für die Photobioreaktoren. Insbesondere wird hierzu auf den in der Druckschrift
Polymere sind außerdem empfindlich gegen den Anteil ultravioletter Strahlung im Sonnenlicht und altern leichter als z.B. Glas. Glas ist zudem billiger als viele der vorgeschlagenen Polymere für Photobioreaktoren. Glas hat sich als technische Lösung für Photobioreaktoren zur Herstellung von Mikroalgen seit Jahrzehnten in der Praxis bewährt (www.algomed.de), Auslaugung und Alterung wurden nicht beobachtet. Ein Nachteil von Photobioreaktoren aus Glas ist jedoch, dass die Glasrohre nicht beliebig in kostengünstige geometrische Formen für Photobioreaktoren gebracht werden können.Polymers are also sensitive to the amount of ultraviolet radiation in sunlight and age more easily than, for example, glass. Glass is also cheaper than many of the proposed polymers for photobioreactors. Glass has been proven in practice for decades as a technical solution for photobioreactors for the production of microalgae ( www.algomed.de ), leaching and aging have not been observed. A disadvantage of glass photobioreactors, however, is that the glass tubes can not be arbitrarily brought into low-cost geometric shapes for photobioreactors.
Ein weiterer Nachteil von Photobioreaktoren aus Glasrohren für die Herstellung von Mikroalgen ist, dass bisher keine technisch vernünftige und kostengünstige direkte Temperierung bekannt ist. Ummantelungen durch ein äußeres Glasrohr nach dem Prinzip des Liebigkühlers (
Wegen der Notwendigkeit von Sonnenlicht für die Photosynthese in industriellen Photobioreaktoren ist eine übliche technische Lösung die Anordnung der Photobioreaktoren in Gewächshäusern und deren Temperierung. Das ist eine kosten- und energieintensive Lösung, die außerdem nicht für jeden Standort vernünftig ist.Because of the need for sunlight for photosynthesis in industrial photobioreactors, a common technical solution is the arrangement of Photobioreactors in greenhouses and their tempering. This is a cost and energy intensive solution that is also not reasonable for every location.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die oben beschriebenen Nachteile der bekannten Verfahren und Anlagen zu überwinden und ein Verfahren sowie eine Anlage vorzustellen, die für die industrielle biologische, insbesondere für photochemische Anwendung geeignet sind.The object of the invention is therefore to overcome the above-described disadvantages of the known methods and systems and to present a method and a system which are suitable for industrial biological, in particular for photochemical application.
Erfindungsgemäß werden die Nachteile der bekannten Lösungen durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12 überwunden.According to the invention, the disadvantages of the known solutions are overcome by the features of claims 1 and 12.
Demnach besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung von Mikroalgen in einem tubulären Dünnschichtphotobioreaktor, der aus parallel angeordnete Glasröhren besteht, wobei die Mikroalgen ausgehend von einem Misch- und Ausgangsbehälter im Kreislauf geführt werden und dabei in einer Kultivationslösung kultiviert werden, wobei die Kultivation der Mikroalgen in dem tubulären Dünnschichtphotobioreaktor bei aktiver Temperaturführung und Kreislaufführung durch eine Innenkühlung der Kultivationslösung in phototropher oder mixotropher Fahrweise erfolgt. Zur aktiven Temperaturführung in den Glasröhren wird dazu ein flexibler Schlauch verlegt, der in der Kultivationslösung schwimmt und durch den ein Temperiermedium gepumpt wird. Vorteilhaft wird durch das Temperiermedium die Kultivationstemperatur oberhalb der minimalen Wachstumstemperatur und unterhalb der maximalen Wachstumstemperatur des jeweilig kultivierten Mikroalgentyps gehalten.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung wird das Temperiermedium in dem flexiblen Schlauch periodisch durch Luft ersetzt wird. Die Luftimpulse führen zur periodischen Anhebung des flexiblen Schlauchs und verhindern dabei vorteilhaft das Fouling, weil die Absetzung eines Biofilms verhindert wird.Accordingly, the invention consists in a process for the preparation of microalgae in a tubular thin-film photobioreactor, which consists of glass tubes arranged in parallel, wherein the microalgae are recycled from a mixing and starting container and thereby cultivated in a culture solution, wherein the cultivation of the microalgae in the tubular thin-film photobioreactor with active temperature control and circulation by an internal cooling of the culture solution in phototrophic or mixotropher driving. For active temperature control in the glass tubes to a flexible hose is laid, which floats in the culture solution and through which a temperature control medium is pumped. Advantageously, the culture temperature is maintained above the minimum growth temperature and below the maximum growth temperature of the respectively cultured microalgae type by the tempering medium.
According to a particular feature of the invention, the temperature control medium in the flexible hose is periodically replaced by air. The air pulses lead to the periodic increase of the flexible tube and thereby advantageously prevent fouling, because the deposition of a biofilm is prevented.
Der Nachteil des offenbar bisher nicht gelösten hohen technischen Aufwands der Durchführung eines inneren Schlauchs oder einer der beiden Kammern eines Doppelkammerschlauchs bei den bereits bekannten tubulären Dünnschichtphotobioreaktoren in und aus dem Reaktor wird dadurch gelöst, dass der flexible Innenschlauch einzeln oder als Bünde am oberen oder unteren Ende kammerförmiger An- und Abströmer der parallel angeordneten Röhren mittels klassischer Installationstechnik durch die Kultivationslösung hindurch nach außen geführt wird, sodass eine Vermischung von Temperiermedium oder Luft mit der Kultivationslösung unmöglich ist.
Dabei ist vorgesehen, dass in den Misch- und Ausgangsbehälter im Kreislauf der Kultivationslösung zur aktiven Temperaturführung ein spiralförmiges Temperierelement zum Kühlen oder Heizen angeordnet wird, wobei als spiralförmiges Temperierelement ein aus einem inerten Metallrohr bestehendes Temperierelement eingesetzt wird, welches von einem Temperiermedium durchflossen wird. Der flexible Schlauch und das spiralförmige Temperierelement können dabei von dem gleichen Temperiermedium durchflossen werden. Das Gesamtvolumen des durch den flexiblen Schlauch und das spiralförmige Temperierelement strömenden Temperiermediums beträgt dabei zwischen 1 % und 20 %, vorzugsweise 5 % des Kultivationslösungsvolumens. Durch den flexiblen Schlauch kann aber auch ein anderes Temperiermedium als durch das spiralförmige Temperierelement im Kreislauf der Kultivationslösung geleitet werden.The disadvantage of the obviously not yet solved high technical complexity of the implementation of an inner tube or one of the two chambers of a double-chamber tube in the already known tubular Dünnschichtphotobioreaktoren in and out of the reactor is achieved in that the flexible inner tube individually or as frets at the top or bottom chamber-shaped inflow and outflow of the parallel tubes is guided through the culture solution to the outside by means of classical installation technology, so that a mixing of temperature control medium or air with the culture solution is impossible.
It is envisaged that in the mixing and outlet container in the circulation of the culture solution for active temperature control a spiral tempering is arranged for cooling or heating, being used as a spiral tempering a consisting of an inert metal tube tempering, which is traversed by a tempering. The flexible tube and the spiral tempering can be traversed by the same temperature control. The total volume of the temperature control medium flowing through the flexible hose and the spiral-shaped temperature control element is between 1% and 20%, preferably 5% of the culture solution volume. However, a different temperature control medium can also be passed through the flexible hose in the circulation of the culture solution than through the spiral temperature control element.
Nach einem besonderen Merkmale ist vorgesehen, dass der flexible Schlauch und/oder das spiralförmige Temperierelement auf ihren äußeren Oberflächen ganz oder teilweise mit einem Schutz gegen die Ablage eines Biofilms versehen werden.According to a special feature, it is provided that the flexible tube and / or the spiral tempering element are provided on their outer surfaces wholly or partially with a protection against the deposition of a biofilm.
Die Nachteile der bisher bekannten Verfahren, dass bei durch jahreszeitlich oder tageszeitlich bedingten Temperaturspitzen, die niedriger oder höher liegen als den optimalen Wachstumstemperaturen von Mikroalgen entspricht, kultiviert wird, werden durch die erfindungsgemäße aktive Temperaturführung (Innenkühlung) mittels in dem tubulären Dünnschichtphotobioreaktor angeordneten, von einem Temperiermedium durchströmten, flexiblen Schlauch, der in der Kultivationslösung schwimmt, überwunden.The disadvantages of the previously known methods, that is cultured by seasonal or daily time-related temperature peaks that are lower or higher than the optimal growth temperatures of microalgae, are arranged by the active temperature control according to the invention (internal cooling) by means of the tubular thin-film photobioreactor, of a Temperiermedium flowed through, flexible hose, which floats in the culture solution, overcome.
Dadurch kann sowohl ein Absterben der Mikroalgen durch zu hohe Temperaturen vermieden werden als auch in gemäßigten Breiten früher im Jahr und auch länger im Jahr eien effektive Kultivierung von Mikroalgen erreicht werden. Beide Vorteile der aktiven Temperaturführung erhöhen sowohl die Produktqualität als auch die Produktivität im Vergleich zu bekannten Verfahren.This can both a dying of the microalgae are avoided by excessive temperatures as well as in moderate latitudes earlier in the year and also longer in a year eien cultivating microalgae can be achieved. Both advantages of active temperature control increase both product quality and productivity compared to known methods.
Durch die erfindungsgemäße Lösung der aktiven Temperaturführung können künftig Mikroalgen in industriellem Maßstab kostengünstig auch unter klimatischen Bedingungen kultiviert werden, unter denen es bisher nicht wirtschaftlich möglich war.The inventive solution of the active temperature control microalgae can be cultivated on an industrial scale cost in the future, even under climatic conditions under which it has not been economically possible.
Die Nachteile von Plattenreaktoren werden durch die an sich schon bekannte Verwendung von tubulären Dünnschichtphotobioreaktoren aus Glasröhren überwunden. Durch die Verwendung von Röhren aus Glas wird auch der prinzipielle Nachteil der Verwendung von Röhren oder Schläuchen aus organischen Polymeren überwunden. Der Nachteil des hohen Preises der bisher vorgeschlagenen Verwendung von hochwertigen, aber mehrfach teureren Doppelschlauchreaktoren aus Silikongummi wird durch die Verwendung von Glasröhren mit einem innen angeordneten flexiblen von einem Temperiermedium durchströmten schwimmenden Schlauch überwunden.The disadvantages of plate reactors are overcome by the already known use of tubular thin-film photobioreactors made of glass tubes. The use of glass tubes also overcomes the inherent disadvantage of using tubes or tubes made of organic polymers. The disadvantage of the high price of the hitherto proposed use of high-grade, but often more expensive, double-tube reactors made of silicone rubber is overcome by the use of glass tubes with an internally arranged, flexible hose through which a temperature control medium flows.
Der potentiellen Ablagerung von Mikroaltenbiomasse in den tubulären Dünnschichtphotobioreaktoren aus Glasröhren im erfindungsgemäßen Verfahren im Dauerbetrieb wird sowohl durch die Wahl von hochwertigem Polymermaterial als Material des flexiblen Schlauchs als auch durch einen besonderen Schutz auf den äußeren Oberflächen sowie durch den kurzzeitigen Ersatz des Temperiermediums durch Luft begegnet, weil durch die Materialwahl eine Ablagerung vermindert wird und der Schlauch innerhalb der Glasröhren periodisch durch Auftrieb und Pulsation bewegt wird. Das "Fouling" wird dadurch verhindert bzw. zumindest verringert.
Die Merkmale der erfindungsgemäßen Anlage ergeben sich bereits aus den oben beschriebenen Verfahrensmerkmalen sowie den auf die Anlage bezogenen Ansprüchen und den Ausführungsbeispielen.The potential deposition of micro-alveolar biomass in tubular tubular thin-film photobioreactors in continuous operation according to the invention is counteracted both by the choice of high-grade polymer material as the flexible tube material and by a special protection on the external surfaces and by the short-term replacement of the tempering medium by air, because by the choice of material a deposit is reduced and the tube is periodically moved within the glass tubes by buoyancy and pulsation. The "fouling" is thereby prevented or at least reduced.
The features of the system according to the invention are already apparent from the method features described above and the claims related to the system and the embodiments.
Die Erfindung wird in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher beschrieben.The invention will be described in more detail in the following embodiments.
In einem tubulären Dünnschichtphotobioreaktor werden Mikroalgen der Spezies Chlorella vulgaris nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kultiviert.In a tubular thin-film photobioreactor, microalgae of the species Chlorella vulgaris are cultured by the method according to the invention.
Der tubuläre Dünschichtphotobioreaktor besteht im photoaktiven Teil aus Röhren aus auslaugungsbeständigem Borosilikatglas mit einem Außendurchmesser von 60 mm und einem Innendurchmesser von 54 mm. Die Glasröhren sind U-förmig ausgebildet, jeder Schenkel ist 50 m lang. 22 dieser U-förmigen Glasröhren sind in einem Abstand von jeweils 20 cm in einem Gestell übereinander angeordnet. Der Zustrom der Mikroalgenkultivationslösung in die und der Abstrom aus den 22 Glasröhren erfolgt jeweils durch eine kammförmige Sammelleitung. In allen Glasröhren ist ein flexibler Schlauch aus lebensmittelechtem Polyethylen mit einem Außendurchmesser von 20 mm und einem Innendurchmesser von 16 mm für die Aufnahme eines Temperiermediums beweglich angeordnet. Der flexible Schlauch in den Glasröhren wird jeweils einzeln bis in die Kammförmigen Sammelleitungen geführt und am Kopf bzw. am Boden der Sammelleitungen der Kultivationslösung mittels klassischer Installationstechnik durch die Verschlussdeckel herausgeführt, sodass schließlich jeweils 22 Schläuche außerhalb der Kultivationslösung das Gestell mit den 22 Glasröhren verlassen und zu einem einzigen Versorgungssystem für das Temperiermedium zusammengeführt werden.The tubular Dünschichtphotobioreaktor consists in the photoactive part tubes of leaching resistant borosilicate glass with an outer diameter of 60 mm and an inner diameter of 54 mm. The glass tubes are U-shaped, each leg is 50 m long. 22 of these U-shaped glass tubes are arranged one above the other at a distance of 20 cm in a frame. The inflow of the microalgae cultivating solution into and out of the 22 glass tubes takes place in each case through a comb-shaped collecting line. In all glass tubes is a flexible hose made food-safe polyethylene with an outer diameter of 20 mm and an inner diameter of 16 mm for the recording of a tempering arranged movably. The flexible tube in the glass tubes is individually fed into the comb-shaped manifolds and led out at the top or bottom of the manifolds of the culture solution using classical installation technology through the cap so that finally each 22 tubes outside the culture solution leave the frame with the 22 glass tubes and be merged into a single supply system for the temperature control medium.
Das Temperiermedium ist vorzugsweise Wasser, das in einer üblichen, externen Kühl- bzw. Heizvorrichtung auf die erforderliche Vorlauftemperatur gebracht wird. In den Vorlauf ist ein Ventilsystem angeordnet, das gesteuerte Luftpulse in das Temperiermedium einzuspeisen ermöglicht.The tempering medium is preferably water, which is brought to the required flow temperature in a conventional, external cooling or heating device. In the flow a valve system is arranged, which allows to feed controlled air pulses in the temperature control medium.
Eine Einheit des tubulären Dünnschichtphotobioreaktors, bestehend aus 12 Gestellen mit jeweils 22 der U-förmigen Glasrohrsystemen wie oben beschrieben, mit den kammerförmigen An- und Abstromsystemen, den Sammelleitungsverbindungen, dem Versorgungssystem für das Temperiermedium und einem Sammelbehälter im Kreislauf der Kultivationslösung ist in einem Gewächshaus aufgestellt.A unit of the tubular thin-film photobioreactor, consisting of 12 racks, each with 22 of the U-shaped glass tube systems as described above, with the chambered inflow and outflow systems, the manifolds, the supply system for the temperature control medium and a collection container in the circulation of the culture solution is placed in a greenhouse ,
Die Kultivationslösung wird im Kreislauf durch den Dünnschichtphotobioreaktor gepumpt. Im Sammelbehälter ist eine spiralförmige Temperiereinheit aus Edelstahlrohr mit 60 mm Außendurchmesser und mit einer Wandstärke von 2 mm, bestehend aus 30 Windungen mit jeweils 2 m Durchmesser angeordnet. Die spiralförmige Temperiereinheit kann wahlweise von dem gleichen Temperiermedium durchströmt werden wie der flexible Schlauch in den Glasröhren.The culture solution is circulated through the thin-film photobioreactor. The collecting container is a spiral tempering unit made of stainless steel tube with 60 mm outer diameter and with a wall thickness of 2 mm, consisting of 30 turns each with a diameter of 2 m. The spiral-shaped temperature control unit can optionally be flowed through by the same temperature control medium as the flexible hose in the glass tubes.
Im Frühjahr, auf einem Standort 52° nördlicher Breite mit einer durchschnittlichen Sonnenscheindauer von 5,2 h/d, wurde die Kultivation von Chlorella-Mikroalgen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt. Zu Beginn der Kultivation einer Stammkultur mit 0,3 g/l (trockener Biomasse) betrug die Außentemperatur 12 °C und die Temperatur im Gewächshaus 15 °C. Das gesamte System zur aktiven Temperaturführung wurde eingeschaltet, die Vorlauftemperatur des Temperiermediums betrug 32 °C. Nach 3 h hatte die Kultivationslösung eine Temperatur von 26 °C erreicht. Diese Temperatur wurde durch automatische Regelung des Temperiermediums aufrechterhalten. Alle 45 Minuten wurde für jeweils 5 Minuten Luft anstelle des Temperaturmediums durch die flexiblen Schläuche geleitet. Nach 3 Tagen betrug die Mikroalgendichte 3,0 g/l. Die Zuwachsrate betrug 0,9 g/ld. Derartig hohe Zuwachsraten sind für solche Mikroalgenkulturen zu diesen Jahreszeiten bisher nicht beschrieben. Durch Ernte wurde diese Kultivation beendet.In the spring, on a site 52 ° north latitude with an average sunshine duration of 5.2 h / d, the cultivation of chlorella microalgae was performed by the method according to the invention. At the beginning of the cultivation of a stock culture with 0.3 g / l (dry biomass), the outside temperature was 12 ° C and the temperature in the greenhouse 15 ° C. The entire system for active temperature control was switched on, the flow temperature of the temperature control medium was 32 ° C. After 3 hours, the culture solution had reached a temperature of 26 ° C. This temperature was maintained by automatic control of the tempering medium. Every 45 minutes was for each 5 minutes air instead of the temperature medium passed through the flexible hoses. After 3 days, the microalgal density was 3.0 g / L. The growth rate was 0.9 g / ld. Such high growth rates are not yet described for such microalgae cultures at these seasons. Harvesting ended this cultivation.
Das gleiche, in Beispiel 1 beschriebene Dünnschichtphotobioreaktorsystem, aber ohne das System zur aktiven Temperaturführung, wurde am gleichen Standort im Frühjahr für die Kultivation von Chlorella-Mikroalgen betrieben. Zu Beginn der Kultivation einer Stammkultur mit 0,4 g/l (trockener Biomasse) betrug die Temperatur im Gewächshaus 16 °C. Während der Kultivationsdauer von 3 Tagen stieg die Temperatur im Gewächshaus auf maximal 22 °C. Am Ende der 3-tägigen Kultivation betrug die Biomassekonzentration 1,4 g/l. Die Zuwachsrate betrug 0,33 g/Id.The same thin film photobioreactor system described in Example 1, but without the active temperature control system, was operated at the same site in the spring for the cultivation of chlorella microalgae. At the beginning of the culture of a stock culture with 0.4 g / l (dry biomass), the temperature in the greenhouse was 16 ° C. During the cultivation period of 3 days, the temperature in the greenhouse rose to a maximum of 22 ° C. At the end of the 3-day cultivation, the biomass concentration was 1.4 g / l. The growth rate was 0.33 g / Id.
Das gleiche, in Beispiel 1 beschriebene Dünnschichtphotobioreaktorsystem wurde am gleichen Standort im Hochsommer mit der gleichen Stammkultur von Chlorella-Mikroalgen und einer Startkonzentration von 0,2 g/l erfindungsgemäß betrieben.The same thin film photobioreactor system described in Example 1 was operated at the same site in the midsummer with the same stock culture of Chlorella microalgae and a starting concentration of 0.2 g / l in accordance with the invention.
Die Starttemperatur der Kultivationslösung betrug 27 °C, die Außentemperatur mittags 36 °C, im Gewächshaus 42 °C. Nach Einschalten des gesamten Systems zur aktiven Temperaturführung mit einer Vorlauftemperatur von 12 °C wurde die Temperatur der Kultivationslösung auf 32 °C begrenzt und 3 Tage so gehalten. Alle 45 Minuten wurde für jeweils 5 Minuten Luft anstelle des Temperiermediums durch die flexiblen Schläuche geleitet. Nach 3 Tagen betrug die Mikroalgendichte 3,2 g/l. Die Zuwachsrate betrug 1 g/Id. Die mikroskopische Untersuchung der Kultivationslösung ergab 99,6 % intakter Chlorella-Zellen. Durch Ernte wurde diese Kultivation beendet.The starting temperature of the culture solution was 27 ° C, the outside temperature at noon 36 ° C, in the greenhouse 42 ° C. After switching on the entire system for active temperature control with a flow temperature of 12 ° C, the temperature of the culture solution was limited to 32 ° C and held for 3 days. Every 45 minutes, air was passed through the flexible tubing for 5 minutes instead of the temperature control medium. After 3 days, the microalgal density was 3.2 g / l. The growth rate was 1 g / id. Microscopic examination of the culture solution revealed 99.6% intact chlorella cells. Harvesting ended this cultivation.
Das gleiche, in Beispiel 1 beschriebene Dünnschichtphotobioreaktorsystem, aber ohne das System zur aktiven Temperaturführung, wurde am gleichen Standort im Hochsommer mit der gleichen Chlorella-Stammkultur und einer Startkonzentration von 0,2 g/l betrieben.The same thin film photobioreactor system described in Example 1, but without the system for active temperature control, became at the same location in midsummer operated with the same chlorella stock and a starting concentration of 0.2 g / l.
Die Starttemperatur der Kultivationslösung betrug 26 °C. Während der dreitägigen Kultivation erreichte die Temperatur der Kultivationslösung bis zu 43 °C. Die Farbe der Kultivationslösung hatte sich von grün auf braun-gelb verändert. Eine mikroskopische Untersuchung der Kultivationslösung ergab weniger als 4 % intakte Chlorella-Zellen. Die Biomasse wurde verworfen.The starting temperature of the culture solution was 26 ° C. During the three-day cultivation, the temperature of the culture solution reached up to 43 ° C. The color of the culture solution had changed from green to brown-yellow. Microscopic examination of the culture solution revealed less than 4% intact chlorella cells. The biomass was discarded.
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